銜鐵組件精密壓裝技術及設備

由 博，王曉東

（1.吉林化工學院 航空工程學院，吉林 吉林 132102；2.大連理工大學 機械工程學院，遼寧 大連 116024）

1 引言

銜鐵組件具有控制精度高、響應速度快等優(yōu)點，被廣泛應用于航空、航天、兵器、船舶等領域使用的核心元件中，該組件各零件的加工精度和最終壓裝精度直接影響其所在系統(tǒng)性能的可靠性和穩(wěn)定性，因此不僅對銜鐵組件中各零件的加工精度提出了很高的要求，也對它的壓裝提出了很高的要求。但是長期以來，銜鐵組件的壓裝一直由經(jīng)過訓練的操作工人，在壓裝夾具等工裝的輔助下，依靠個人技能和經(jīng)驗完成裝配作業(yè)。因此，手動壓裝的勞動強度大、對工人的技能要求高、裝配效率低，并且隨著生產(chǎn)批量的增加，裝配質量一致性明顯下降，這就迫切需要研發(fā)自動化精密壓裝設備，從而提高產(chǎn)品的壓裝質量及其一致性。

現(xiàn)在，壓裝技術普遍應用于生物醫(yī)學、航空航天、船舶制造、兵器工業(yè)等領域[1]，因此國內外的專家學者們進行了相關研究。文獻[2]對加速度計中擺組件的重要組成部分—撓性片的壓裝過程進行了仿真研究，并在仿真研究的基礎上研制了一套基于機器視覺和激光位移傳感器的微裝配系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過工控機控制激光位移傳感器采集裝配過程中撓性片的位移，實驗表明該系統(tǒng)的位移控制精度優(yōu)于2μm。文獻[3]針對壓裝技術在機載傳感器相關組件壓裝方面的應用進行了研究，綜合運用微小型零件的夾持、精密定位、顯微視覺和在線測量等關鍵技術研制了光纖陀螺、加速度計的壓裝系統(tǒng)，提高了裝配精度及其質量一致性。文獻[4-5]等針對平板類微小零件的裝配，研制了由計算機控制系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、真空夾持系統(tǒng)、顯微觀測系統(tǒng)和承載系統(tǒng)組成的微裝配系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)在裝配過程中出現(xiàn)的零件相對位置調整誤差、控制策略和軟件架構進行分析，說明了該系統(tǒng)中滿足使用要求。文獻[6]為了提高微裝配系統(tǒng)中光柵尺的測量精度，提出了時空轉換法，將對空間位移的測量轉換為對信號瞬時周期的測量，并通過實驗證明了該方法的測量精度為±0.2581μm，優(yōu)于微裝配作業(yè)對位移測量精度的要求。文獻[7]針對微小孔軸類零件的裝配，研制了基于機器視覺和被動柔順機構的微裝配系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了微小孔軸類零件的自動化裝配，提高了裝配效率和質量，保證了裝配的穩(wěn)定性和可靠性。文獻[8]為了解決微裝配過程中存在的待壓裝零件結構差異大、并行裝配等問題，研制了一套基于機器視覺的多機械手微裝配機器人系統(tǒng)，并使用該系統(tǒng)進行微裝配實驗，實驗結果表明，該系統(tǒng)可以滿中既定的裝配要求。文獻[9]通過對點火靶半腔套裝工藝要求的分析，制定了裝配系統(tǒng)技術指標并研制了微裝配系統(tǒng)樣機，利用該樣機對半腔套裝實驗件進行了裝配，組件裝配后同軸度為8μm、軸向與徑向夾角小于0．5°，從而證明了該系統(tǒng)可以滿足使用要求。文獻[10-11]等研制了銜鐵組件的精密自動化壓裝設備，并在該設備進行壓裝實驗，實驗結果表明，裝配效率有明顯提高，但是采用該設備進行壓裝作業(yè)時，零件間的對準是人工完成的，就是降低了組件壓裝后的精度。

綜上所述，微小組件裝配作業(yè)普遍針對于各零件間為間隙配合的情況，所以需要測量和控制的是側向偏差和角度偏差，以避免裝配過程出現(xiàn)卡阻和楔緊現(xiàn)象，從而保證裝配作業(yè)能夠順利進行。但對于軸孔類微小零件件過盈聯(lián)接的裝配，不僅要對上述兩項偏差進行控制，還要對位移進行精確地測量與控制。因此，如何保證裝配后組件的精度能夠滿足相關技術指標要求，從而保證精密微小組件過盈聯(lián)接的裝配質量是亟待解決的問題。通過對目研究情況的分析，根據(jù)銜鐵組件過盈聯(lián)接的壓裝技術指標要求，研制了一套自動化精密壓裝設備，該設備基于機器視覺對準方法，采用相關控制策略，實現(xiàn)了銜鐵組件的自動化精密壓裝作業(yè)，同時保證了壓裝后組件的精度能夠滿足要求。

2 銜鐵組件精密壓裝設備

2.1 銜鐵組件結構及壓裝要求

待壓裝銜鐵組件是電液伺服閥的核心部件，由銜鐵、彈簧管和反饋桿三個零件組成，各零件結構，如圖1所示。銜鐵和彈簧管之間的過盈聯(lián)接基本尺寸是5mm，過盈量范圍是（12～14）μm；反饋桿和彈簧管之間過盈聯(lián)接基本尺寸是3mm，過盈量范圍是（5～8）μm。組件壓裝完成后，應滿足的精度要求如下：銜鐵壓裝平行度≤±0．008mm，銜鐵壓裝高度≤±0．01mm 范圍內，反饋桿壓裝高度≤±0．01mm范圍內，具體情況，如圖2所示。

圖1 銜鐵組件壓裝Fig．1 The Press-Mounting Work of Armature Component

圖2 銜鐵組件壓裝精度要求Fig．2 The Press-Mounting Requests of Armature Component

2.2 精密壓裝設備設計

根據(jù)銜鐵組件壓裝要求，研制了一套自動化精密壓裝設備，如圖3所示。該設備主要由直線推桿、機器視覺裝置、壓裝夾具裝置、光柵尺、力傳感器、XY位移平臺、回轉平臺等部分組成。為保證壓裝過程中的導向精度，壓裝設備的主體結構是以4根導向軸作為導向和支撐，移動橫梁通過直線軸承與導向軸聯(lián)接，保證壓裝過程中高導向精度；力傳感器固定于光學平臺上，并與下橫梁相連；下橫梁通過直線軸承導向軸配合，處于上下浮動狀態(tài)，壓裝力可以完全施加到壓力傳感器上，保證了壓裝力的測量；設備采用光柵尺測量壓裝位移，讀數(shù)頭固定于移動橫梁上，光柵尺外殼通過型材固定，型材下端固定于下橫梁上，上端通過導向結構緊靠在上橫梁上，處于上下浮動狀態(tài)，避免壓裝過程中由于下橫梁產(chǎn)生微小位移引起額外應力，并影響測量精度；機器視覺裝置用于檢測被壓裝零件對準時的位置和姿態(tài)偏差；XY位移平臺和回轉平臺用于調整壓裝零件位置及姿態(tài)偏差；直線推桿將電機的旋轉運動轉換為直線運動，在壓裝過程中施加壓力。壓裝夾具裝置包括上、下兩部分，實現(xiàn)零件的夾持和定位。

圖3 銜鐵組件精密自動化壓裝設備Fig．3 The Precise Automotive Press-Mounting Device of Armature Component

3 壓裝關鍵技術研究

通過對銜鐵組件壓裝精度要求分析可知，壓裝設備應具備零件的偏擺抑制和壓裝位移的檢測功能，因此對實現(xiàn)上述功能的關鍵技術進行了研究。

3.1 零件的偏擺抑制

壓裝設備中，移動橫梁通過直線軸承與導向軸配合，在直線推桿的作用下沿導向軸上下移動，完成壓裝作業(yè)。導向柱直徑30mm，直線度誤差為 0．01mm/100mm，尺寸公差為 g6（-0．007～-0．020），導向軸在購買后，對其直線度進行精度測量，并嚴格挑選，因此直線度誤差可控制在0．005mm/100mm，直線軸承內徑公差（0～-0．010），最大間隙量為 0．01mm，考慮到受力變形等情況，間隙量取0．012mm，由于采用4根導向軸，故由間隙引起的誤差具有補償效果，通過測量軸承與導向軸之間的間隙可知，實際間隙為0．002mm，因此壓裝過程中的導向誤差為0．0054mm。根據(jù)銜鐵壓裝壓裝偏擺誤差的仿真結果可知，在不考慮零件本身因素的前提條件下，要求壓裝后銜鐵的平行度誤差小于0．01mm，需保證壓頭壓裝面平行度為16μm、銜鐵內孔垂直度為1．5μm，而定位半圓套的頂圓環(huán)面與壓頭壓裝面之間的平行度在設備裝調時進行修整，并將其控制在3μm之內完全可行，這其中同時考慮為零件留有一定的形位公差，因此壓裝設備實現(xiàn)了偏擺抑制，從而保證銜鐵組件壓裝平行度。

3.2 壓裝位移的檢測

在組件壓裝過程中，設備需對施加的壓裝位移進行實時監(jiān)控，保證壓裝穩(wěn)定性。壓裝位移檢測的功能是通過光柵尺對壓裝過程中移動橫梁的位移進行測量來實現(xiàn)的；與此同時，對壓裝過程中位移的有效控制也是通過它實現(xiàn)的。通過對壓裝位移的有效控制，保證了壓裝完成后零件間的相對位置關系滿足組件壓裝精度要求。光柵尺在實際使用過程中，安裝位置，如圖4所示。光柵尺讀數(shù)頭采用相應的角鋁固定在移動橫梁上，以保證在壓裝作業(yè)中，讀數(shù)頭與移動橫梁同步運動。光柵尺安裝時，要注意與導向軸保持平行，這是保證光柵尺測量準確的基本條件。安裝光柵尺的鋁合金型材與上橫梁之間用角鋁和墊片進行固定，采用這種固定方式后，使鋁合金型材和上橫梁之間可以有相對運動，避免由于壓裝過程中型材產(chǎn)生變形導致壓裝位移測量不準確。由于光柵尺讀數(shù)頭與移動橫梁相連，因此可以通過光柵尺實時反饋移動橫梁的位置信息。而壓裝夾具（上部）安裝在移動橫梁下表面，因此可以通過光柵尺反饋的位置信息控制壓裝夾具（上部）夾持零件運動到預期的壓裝位置。如果光柵尺反饋的位置信息不準確，則壓裝后組件的高度尺寸精度無法保證，因此需要對光柵尺進行標定，標定工具有電感測微儀、磁性表座和量塊。標定實物，如圖5所示。

圖4 光柵尺安裝位置Fig.4 The Assembly Location of Grating Ruler

圖5 光柵尺標定Fig.5 The Calibration of Grating Ruler

標定時首先將磁性表座固定在移動橫梁下表面，將電感測微儀的測頭固定在磁性表座的表夾上，將一個1mm厚的量塊放在下橫梁的上表面，通過程序控制移動橫梁向下運動，讓電感測微儀的測頭與量塊上表面，記錄此時的電感測微儀的數(shù)值A1和控制程序顯示的光柵尺讀數(shù)B1，再將量塊換成其他厚度（厚度值為D）的量塊，再通過程序控制移動橫梁向下運動，使電感測微儀的側頭與量塊上表面接觸，記錄此時電感測微儀的數(shù)值Ax和控制程序顯示的光柵尺讀數(shù)Bx。 因此移動橫梁走的實際距離是：

通過比較L1和L2即可以得到光柵尺測得的距離和實際距離之間的差值。標定中分別用1mm，2mm，3mm，4mm，5mm和10mm的量塊進行標定結果，如表1所示。將表1中的數(shù)據(jù)分別帶入到上兩式中，通過計算得到光柵尺的測量距離和實際距離，并得到二者之間的差值，具體結果，如表2所示。通過表中的數(shù)值可以看到移動橫梁運行9mm范圍內光柵尺測得的距離與實際距離之間的差值都小于3μm，明顯小于壓裝后組件高度尺寸的精度要求±0.01mm。

表1 光柵尺標定數(shù)據(jù)Tab.1 The Calibration Data of Grating Ruler

表2 光柵尺測量誤差數(shù)據(jù)Tab.2 The Detection Error Data of Grating Ruler

4 壓裝實驗研究

利用上述研制的壓裝設備對10套銜鐵組件進行壓裝實驗，壓裝完成后對銜鐵壓裝平行度、銜鐵壓裝高度、反饋桿壓裝高度進行檢測，根據(jù)上述精度指標的檢測結果判斷壓裝質量是否合格，具體結果，如表3所示。

表3 銜鐵組件壓裝精度檢測結果Tab.3 The Detection Results of Armature Component Press-Mounting Precision

5 結論

針對銜鐵組件的壓裝精度指標要求，研制了相應的精密自動化壓裝設備。通過研究壓裝位移的檢測、零件在壓裝過程中的偏擺抑制，使壓裝設備滿足了銜鐵組件的壓裝精度指標要求。對10套銜鐵組件進行了壓裝實驗，壓裝結果表明：銜鐵壓裝平行度≤（±0.008）mm、銜鐵壓裝高度＜（±0.01）mm、反饋桿的壓裝高度≤（±0.01）mm。組件壓裝精度滿足使用要求，壓裝設備能夠完成銜鐵組件高精度壓裝作業(yè)。

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